MEMS壓力傳感器現狀及其在彈藥上的應用

姜 波，齊杏林，趙志寧，呂 靜

(軍械工程學院，河北 石家莊050003)

0 引言

MEMS技術是伴隨著硅材料及其加工技術、IC技術的成熟而發展起來的，它的運用帶來了傳感器性能的大幅度提升，其特點主要包括:1)質量和尺寸的減少;2)標準的電路避免了復雜的線路和外圍結構;3)可以形成傳感器陣列，獲取陣列信號;4)易于處理和長的壽命;5)低的生產成本，這包括低的能源消耗，較少的用材;6)可以避免或者少用貴重的和對環境有損害的材料［1］。大量采用MEMS器件以改進武器性能，已成為世界各國發展新型高科技武器裝備的方向。隨著近年彈藥智能化的改進，其對以MEMS傳感器為主的電子產品需求劇增。壓力傳感器是影響最為深遠且應用最為廣泛的MEMS傳感器。MEMS壓力傳感器在彈藥中的應用為彈藥節省出空間，可使傳感器陣列和更多小型微型電子器件應用于彈藥，使其向智能化發展，也可使同等威力彈藥向小型化發展。梳理出MEMS壓力傳感器現狀及其在彈藥中的應用方式對研究彈藥智能化、小型化改進具有重要意義。

1 MEMS壓力傳感器分類

20世紀60年代初興起的壓力微傳感器是第一種用微加工技術制造的硅傳感器，也是目前最成熟的MEMS器件之一。壓力微傳感器從信號檢測方式可劃分為壓阻式、電容式和諧振式等，其特點如下:

1)壓阻式:通過測量材料應力來測量壓力大小，它具有體積小、全動態測量范圍的高線性度、較高的靈敏度、相對較小的滯后和蠕變的特點，此類型傳感器多采用惠斯通電橋來消除溫度影響。

2)電容式:通過測量電容變化來測量壓力大小，相比較壓阻式的傳感器，它具有很高的靈敏度、低溫度敏感系數、沒有滯后、更高的長期穩定性，但同時它也有更高的非線性度、更大的體積，需要更復雜的檢測電路和更高的生產成本。

3)諧振式:通過測量頻率或頻率的微分變化來測量壓力大小，它可以通過諸如熱、電磁和靜電效應來改變膜片頻率，并且可以通過真空封裝來提高傳感器精度。

此外，還有光纖壓力傳感器、多維力傳感器等，但它們大多造價高昂或有技術局限，應用范圍不如以上3種廣泛。

2 MEMS壓力傳感器現狀

硅壓力傳感器主要是硅擴散型壓阻式壓力傳感器，其工藝成熟，尺寸較小，且性能優異，性價比較高。2010年12月，意法半導體公司采用創新的MEMS制造技術開發出壓阻式MEMS壓力傳感器LPSOOl WP 0，LPS001WP通過覆蓋在氣腔上的柔性硅薄膜檢測壓力變化，該薄膜包括電阻值隨著外部壓力改變的微型力敏電阻器，壓力檢測量程為3×104～1.1×105Pa，可檢測到最小6.5Pa的氣壓變化。2009年3月舉行的慕尼黑上海電子展上，愛普科斯公司推出了業界封裝較小的用于測量大氣壓力的壓阻式MEMS傳感器T5000/ABS1200E，尺寸僅為1.7 mm×1.7 mm×0.9 mm，可用于便攜式電子產品測量氣壓和海拔高度［2］。

硅壓阻式壓力傳感器受p-n結耐溫限制，超過120℃時，傳感器的性能會嚴重退化甚至失效;在600℃時會發生塑性變形和電流泄漏，遠不能滿足航空航天和石油化工等領域高溫環境下的壓力測量。為滿足對極端環境下壓力測量的迫切要求，國內外開展了惡劣環境用壓力傳感器的研究。各研究機構的研究材料各不相同，其中SiC材料、SoI材料、金剛石和光纖等新型壓力傳感器已成為國內外研究的重點。

美國Ku1ite傳感器公司采用6H-SiC材料制作了壓阻式壓力傳感器，可工作于600℃的高溫，輸入電壓為5 V［3］。該公司還采用BESOI技術開發出超高溫壓力傳感器XTEH-10LAC-190(M)系列，工作溫度為 -55～482℃［4］。Werner M R等人［5］研制的金剛石膜壓力傳感器樣件，可在300℃環境下工作。

Hezarjaribi Y等人［6］于2009年采用SiC材料制作出了一種接觸式MEMS電容式壓力傳感器，其膜片的直徑為150～360μm，板間的間隙深度為 0.5～6μm，當壓力為0.05～10 MPa時該傳感器具有良好的線性度。由于SiC具有優良的電穩定性、機械強度和化學穩定性，故該傳感器可用于汽車工業、航天、石油鉆探及核電站等惡劣環境。利用光纖傳感技術實現溫度、壓力多參數組合測量是MEMS傳感器發展的重要方向之一。

Opsens有限公司于2009年推出了生命科學和醫學器件業內較小的MEMS光纖壓力傳感器OPPM25，導管外直徑僅為0.25 mm，可對心臟血管的壓力進行精確而可靠的測量，并可用于其他微小型化應用領域［7］。

廈門大學的馮勇建［8］設計了一種用SoI硅片和硅—硅鍵合MEMS技術制作的高溫接觸式電容壓力傳感器，并給出了詳細的工藝制作流程。在對測試裝置、測試電路進行了詳細地介紹和深入分析后，用此測試電路對制作的傳感器器件進行了高溫測試。測試結果表明:傳感器在小于250 kPa的室溫條件下工作，傳感器的靈敏度為0.54 mV/kPa;而在400℃條件下工作，傳感器的靈敏度為0.41 mV/kPa，傳感器的零點漂移為0.1 mV/℃?？梢娺@種微傳感器可在低于450℃的條件下正常工作，且具有很大的線性工作范圍、良好的穩定性和較高的靈敏度。

中國科學院電子學研究所的龐程等人［9］利用ANSYS軟件模擬接觸式電容壓力傳感器的工作狀態，得到硅膜的形變和應力分布狀況。采用簡單標準的工藝:利用KOH各向異性腐蝕進行硅片大面積、大深度腐蝕減薄，分析了其濃度配比對硅面平整度特性的影響，采用陽極鍵合形成真空腔，試驗反應離子深瓤蝕形成硅膜的效果。芯片測試結果表明方案可行。

廈門大學的呂浩杰等人［10］設計了一種高性能雙凹槽結構的接觸式電容壓力傳感器，并對該傳感器在高溫環境中的總體性能進行了分析。推導了熱傳導和熱彈性理論，并對影響傳感器熱分析的各個因素與溫度的依賴關系進行了描述;在整個分析過程中，使用ANSYS軟件并結合有限元方法，對全尺寸傳感器的熱效應進行模擬。結果表明:在接觸工作狀態雙凹槽接觸式電容壓力傳感器的溫度對輸入(壓力)—輸出(電容)特性的影響是線性的，且線性范圍內初始壓力隨溫度的升高而降低;當溫度載荷為550 K時，雙凹槽結構的靈敏度為1.21×10-6pF/Pa，比傳統單凹槽的0.8×10-6pF/Pa高出50%，表明該壓力傳感器有著非常優異的高溫特性。

中北大學的李永紅等人［11］研究了機載壓阻式壓力傳感器，介紹了這種壓阻式壓力傳感器的設計原理和加工技術，設計出了敏感電路和硅膜結構，根據所設計壓力傳感器的結構特點和國內現有加工設備，采用了體硅加工技術和表面加工技術相結合的加工方法進行加工研究并給出了加工模型。

天津大學的郭源生［12］運用MEMS工藝技術制作的敏感元件和介質隔離特殊封裝工藝，研制出壓力傳感器。在腔體內置填充架、充油位置、波紋膜結構等進行了技術創新，使產品的過濾脈沖壓力、抗過載和溫度系數具有一定的提高，并就創新點對參數影響等特征進行相關論述。

中國科學院電子學研究所的于留波等人［13］中從金屬應變式壓力傳感器的基本理論出發，以硅彈性膜鉑應變電阻壓力傳感器為原型，推導了圓形和方形彈性膜片上電阻的變化率公式。通過比較，選用方形彈性膜為壓力承壓膜，以優化承壓膜的寬厚比為出發點，用有限元方法對不同厚度方形膜片(寬度為2 mm)進行應力分析。由硅材料的屈服應力與最大位移的限制，確定了最優的膜厚范圍;根據有限元仿真的結果，對壓力傳感器進行優化設計，對所做壓力傳感囂芯片進行測試，在6.00×104～1.06×105Pa的范圍內，其精度優于50 Pa。

3 MEMS壓力傳感器在彈藥中的應用

3.1 在引信安全系統中的應用

2001年的美軍引信年會，美海軍水面武器中心的印第安分部已經利用微機電技術開發出用于魚雷引信的微小型起爆裝置［14］，該起爆裝置含有慣性測量單元、氣流和沖擊傳感器、沖擊雷管和發火裝置，體積僅為 115 cm3，是533 mmMK48魚雷使用的MK21起爆裝置的1/17，造價是其1/4。2002年引信年會，該機構展示了這種基于LIGA技術的MEMS安保系統，如圖1所示［15］。圖2為MEMS差壓傳感器。

圖1 基于LIGA技術的MEMS安保系統Fig 1 MEMS safety and arming system based on LIGA technology

圖2 MEMS差壓傳感器Fig 2 MEMSdifferential pressure sensor

2003年，Deeds M發表文章，文中系統分析了這種基于流量壓力傳感器的引信安保系統［16］。圖3為該傳感器組件圖。2004年，引信年會文獻展示了這種安全保險系統升級版本。它采用了深反應離子刻蝕工藝［17］。與前一版本相比價格更便宜，體積更小，作用更可靠，精度更高。

圖3 傳感器組件圖Fig 3 Assembly diagram of sensor

3.2 在確定彈底壓力中的應用

美國陸軍研究實驗室基于MEMS技術制造出了炮彈用高壓力傳感器用于確定彈底壓力。這種高壓力傳感器使用0.5μm厚的鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜來產生與壓力呈正比的電荷。在炮彈內加裝傳感器所面臨的主要問題是空間問題。除了炮彈尾部追蹤器腔內的空間外，沒有多余的空間來安裝傳感器。而如果對炮彈進行改動會對彈道產生不利影響。傳統的壓力傳感器依靠的是膜片變形的電容傳感器。然而，在炮彈發射時，極大的變形或位移會使傳感器的恢復時間過長(達到幾秒)而無法使用。有一種電氣石晶體傳感器的電容會隨著壓力發生線性變化。利用壓電薄膜替換電氣石晶體可以使這種傳感器實現小型化并提高性能，使其有可能用于測定炮彈發射時的壓力［18］。

這種傳感器在承受壓力時壓電薄膜會發生變形，通過直接的壓電作用產生表面電荷。利用微制造技術還可以使這種傳感器實現批量生產。美國陸軍研究實驗室目前正在為美國國防部提供智能傳感器和射頻裝置，以滿足未來戰斗系統(FCS)的需要。為了制造出新型的高性能裝置，美國陸軍研究實驗室對MEMS加工和制造技術研究提供大力支持。其MEMS實驗室專門配備了先進的加工和制造設備，可以沉積半導體和陶瓷氧化物(特別是PZT)薄膜、構建圖案結構、對材料進行干蝕刻和表征。MEMS實驗室開發出了一種獨特的工藝，可以制造出亞微米尺寸的Si，PZT和Pt薄膜。利用這種工藝，美國陸軍研究實驗室制造出了PZT薄膜壓力傳感器，并獲得了這種傳感器承受很高壓力時的性能。

3.3 在彈道修正引信中的應用

在北京理工大學一維彈道修正引信的研究中，他們根據“通過確定彈道上最小速度點的速度值及其出現時間即可完全而唯一的確定該條彈道”的結論，以單片機為彈道敏感測試系統的核心，采用MEMS壓力傳感器測量飛行彈丸軸向的迎面動壓力，進而換算成彈丸的軸向速度，用單片機的內部定時器精確定時，從而解算出實際彈道參數，為一維彈道修正引信的控制系統提供控制信號。通過幾種馬赫數下的風洞實驗，驗證了測試系統的原理與實現的可行性［19］。

這種彈道特征敏感測試系統采用彈載單片機作為測量核心，最小速度的測量采用MEMS壓力傳感器，以敏感炮彈軸向的迎面壓力，進而換算成炮彈軸向速度，彈載單片機隨時檢測速度，并判斷其最小值。最小值的出現時間可由單片機內部定時器精確定時，在傳感器輸出信號達到最小值時測得。由最小速度與其出現時間可解算出實際彈道參數，為一維彈道修正引信的控制系統提供控制信號。測試系統主要有測速用空氣動壓力傳感器、儀表放大器、A/D轉換器、彈載單片機及其接口等部分組成。

4 結束語

隨著微機械加工技術、集成電路技術、加工工藝和材料制備與特性研究工作的進展，必將使得MEMS壓力傳感器的批量生產、在彈藥中的大量應用成為可能，并且其在彈藥中的應用呈小型化、集成化、智能化、網絡化、廣泛化、標準化趨勢，也使得MEMS壓力傳感器在整個國防工業中有著更廣泛的應用前景。

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